A fibra óptica, também conhecida como fibra óptica, é um guia de ondas cilíndrico usado para transmitir luz. Ele usa o princípio da reflexão interna total para confinar a onda de luz dentro do núcleo da fibra e guiá-la ao longo do eixo da fibra.
A substituição dos fios de cobre pela fibra óptica mudou o mundo. Como meio de transmissão de luz, a fibra óptica tem sido amplamente adotada desde a sua proposta por Gao Kun em 1966 devido às suas inúmeras vantagens, como alta capacidade, fortes capacidades anti-interferência, baixa perda de transmissão, longa distância de transmissão, excelente segurança, forte adaptabilidade , tamanho compacto, peso leve e recursos abundantes de matéria-prima.
Gao Kun, amplamente reconhecido como o “pai da fibra óptica”, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2009.
A indústria de telecomunicações foi transformada pela melhoria contínua e pelas aplicações práticas da fibra óptica. A fibra óptica substituiu em grande parte o fio de cobre e é agora uma parte crucial da comunicação moderna.
O sistema de comunicação por fibra óptica é um tipo de sistema de comunicação que utiliza a luz como portadora de informações e a fibra óptica como meio de guia de ondas. Ao transmitir informações, o sinal elétrico é convertido em sinal óptico e transmitido dentro da fibra óptica.
Como uma nova forma de tecnologia de comunicação, a comunicação por fibra óptica apresentou vantagens incomparáveis desde o início, atraindo amplo interesse e atenção.
O uso generalizado de fibra óptica na comunicação também estimulou o rápido desenvolvimento de amplificadores de fibra e lasers de fibra. Além do campo da comunicação, os sistemas de fibra óptica também são comumente usados na medicina, detecção e outras áreas.
Fibra ótica
A fibra ativa serve como meio de ganho em lasers de fibra. Ela pode ser classificada em fibra monomodo, fibra dupla e fibra de cristal fotônico com base em sua estrutura.
A fibra monomodo consiste em núcleo, revestimento e revestimento. O índice de refração (N1) do material do núcleo é superior ao do material de revestimento (N2). Quando o ângulo de incidência da luz incidente é maior que o ângulo crítico, o feixe é completamente emitido no núcleo, permitindo que a fibra óptica confine o feixe ao núcleo e o transmita.
No entanto, o revestimento interno da fibra monomodo não pode limitar a luz da bomba multimodo e o núcleo tem uma abertura numérica baixa. Como resultado, a saída do laser só pode ser obtida acoplando a luz da bomba monomodo ao núcleo.
Os primeiros lasers de fibra utilizavam fibra monomodo, levando a baixa eficiência de acoplamento e produzindo apenas potência de saída em miliwatts.
Transmissão de luz em fibra óptica
Fibra duplamente revestida
Em um esforço para superar as limitações da fibra convencional monomodo e de revestimento único dopada com itérbio (Yb3+) em termos de eficiência de conversão e potência de saída, R. Maurer propôs pela primeira vez o conceito de fibra de revestimento duplo em 1974. No entanto, é foi só quando E. Snitzer e outros propuseram a tecnologia de bombeamento de revestimento em 1988 que a tecnologia de laser / amplificador de fibra dopada com itérbio de alta potência teve um rápido desenvolvimento.
A fibra óptica dupla é um tipo de fibra óptica com uma estrutura única. Comparada à fibra óptica convencional, possui um revestimento interno composto por uma camada de revestimento, revestimento interno, revestimento externo e núcleo dopado.
A tecnologia de bombeamento de revestimento é baseada em fibra de revestimento duplo e tem como objetivo transmitir luz de bomba multimodo no revestimento interno e luz laser no núcleo de fibra, melhorando significativamente a eficiência de conversão da bomba e a potência de saída do laser de fibra.
A estrutura da fibra dupla, o formato do revestimento interno e o modo de acoplamento da bomba de luz são cruciais para esta tecnologia.
A bobina de fibra da fibra dupla é composta de sílica (SiO2) dopada com elementos de terras raras. Em lasers de fibra, ele serve tanto como meio de laser quanto como canal de transmissão de sinal de laser.
Para garantir que a excitação de saída seja o modo transversal fundamental, o parâmetro V é reduzido para o comprimento de onda de trabalho correspondente, projetando sua abertura numérica e diâmetro do núcleo.
A dimensão transversal do revestimento interno (dezenas de vezes maior que o diâmetro do núcleo convencional) e a abertura numérica são muito maiores que as do núcleo, e seu índice de refração é inferior ao do núcleo, o que restringe a propagação completa do laser no núcleo.
Isso cria um guia de ondas óptico com uma grande seção transversal e abertura numérica entre o núcleo e o revestimento externo, permitindo que a luz da bomba de alta potência com uma grande abertura numérica, seção transversal e multimodo seja acoplada à fibra óptica e limitada. à transmissão dentro do revestimento interno sem difusão. Isso ajuda a manter o bombeamento óptico de alta densidade de potência.
O revestimento externo da fibra dupla é composto por materiais poliméricos com índice de refração inferior ao do revestimento interno. A camada mais externa é uma camada protetora feita de materiais orgânicos.
A área de acoplamento da fibra de revestimento duplo à luz da bomba é determinada pelo tamanho do revestimento interno, ao contrário da fibra monomodo tradicional, que é determinada exclusivamente pelo núcleo.
Isto cria uma estrutura de guia de ondas de camada dupla para a fibra de revestimento duplo.
Por um lado, melhora a eficiência do acoplamento de potência do laser de fibra, permitindo que a luz da bomba excite os íons dopados e emita luz laser através do núcleo da fibra várias vezes quando conduzida no revestimento interno.
Por outro lado, a qualidade do feixe de saída é determinada pela natureza do núcleo da fibra, e a introdução do revestimento interno não afeta negativamente a qualidade do feixe de saída do laser de fibra.
Diagrama estrutural de fibra dupla folheada octogonal
Diagrama esquemático de várias estruturas de revestimento interno
O revestimento interno especificamente projetado do laser de fibra de revestimento duplo pode aumentar muito a eficiência de utilização da luz da bomba.
Inicialmente, a estrutura de revestimento interno da fibra dupla era cilíndrica simétrica, tornando seu processo de fabricação relativamente simples e fácil de acoplar à fibra caudal da bomba de diodo laser (LD).
No entanto, a sua simetria perfeita resultou num grande número de raios espirais na luz da bomba dentro do revestimento interno, que nunca alcançariam a área central mesmo após múltiplas reflexões.
Como resultado, esses raios não poderiam ser absorvidos pelo núcleo da fibra, levando ao vazamento de luz, dificultando a melhoria da eficiência de conversão, mesmo com o uso de fibras mais longas.
Portanto, a simetria cilíndrica da estrutura interna do revestimento deve ser perturbada.
Fibra de cristal fotônico
Na fibra convencional de revestimento duplo, a potência do laser de saída é determinada pelo tamanho do núcleo da fibra, e a abertura numérica determina a qualidade do feixe de laser de saída.
No entanto, as limitações dos mecanismos físicos, como efeitos não lineares e danos ópticos na fibra óptica, tornam impossível atender às necessidades de operação monomodo de fibra de campo duplo de modo grande com alta potência de saída, apenas aumentando o diâmetro do núcleo.
O advento de fibras ópticas especiais, como a fibra de cristal fotônico (PCF), oferece uma solução eficaz para esse problema.
O conceito de cristais fotônicos foi proposto pela primeira vez por E. Yablonovitch em 1987. Isso envolve materiais dielétricos com constantes dielétricas variáveis formando uma estrutura periódica com a ordem do comprimento de onda da luz no espaço unidimensional, bidimensional ou tridimensional. Isso cria bandas guia fotônicas que permitem a propagação da luz e intervalos de bandas fotônicas (PBG) que proíbem a propagação da luz.
Ao alterar o arranjo e o período de distribuição dos diferentes meios, inúmeras mudanças nas propriedades dos cristais fotônicos podem ser alcançadas, possibilitando funções específicas.
A fibra de cristal fotônico (PCF) é um cristal fotônico bidimensional, também conhecido como fibra microestrutural ou fibra porosa.
Em 1996, JC Knight e outros criaram o primeiro PCF, e seu mecanismo de orientação de luz é semelhante ao mecanismo de orientação de luz de reflexão interna total na fibra óptica tradicional.
O primeiro PCF baseado no princípio do intervalo de banda fotônico foi inventado em 1998.
Depois de 2005, os métodos de projeto e preparação de PCF de campo de modo grande tornaram-se diversos, com o surgimento de várias estruturas de formato, incluindo PCF de canal com vazamento, PCF de haste, PCF de grande espaçamento e PCF multi-core.
A área de campo modal das fibras ópticas também aumentou.
Microestrutura de diferentes fibras de cristal fotônico
A fibra de cristal fotônico (PCF) parece semelhante à fibra monomodo tradicional, mas possui uma estrutura complexa de conjunto de furos no nível da microestrutura.
Essas características estruturais concedem ao PCF muitas vantagens exclusivas que as fibras ópticas tradicionais não podem igualar, como transmissão monomodo sem corte, uma grande área de campo de modo, dispersão ajustável e baixa perda limitante, superando vários problemas nos lasers tradicionais.
Por exemplo, o PCF pode alcançar operação monomodo com uma grande área de campo de modo, reduzindo significativamente a densidade de potência do laser na fibra óptica, minimizando o efeito não linear na fibra óptica e melhorando o limite de dano da fibra óptica enquanto preserva o feixe qualidade.
Ele também permite uma grande abertura numérica, resultando em melhor acoplamento da luz da bomba e saída de laser de maior potência.
Essas vantagens do PCF levaram a um aumento na pesquisa em todo o mundo, tornando-o um novo foco de pesquisa em lasers de fibra e desempenhando um papel cada vez mais importante em aplicações de laser de fibra de alta potência.
Invenção do laser de fibra
Um laser com fibra óptica como meio de ganho do laser é chamado de laser de fibra.
Como outros tipos de laser, consiste em um meio de ganho, uma fonte de bomba e um ressonador.
O laser de fibra utiliza a fibra ativa, dopada com elementos de terras raras no núcleo, como meio de ganho.
Normalmente, os lasers semicondutores servem como fonte de bomba, enquanto o ressonador é composto de espelhos, faces finais de fibra, espelhos de anel de fibra ou grades de fibra.
Com base nas características do domínio do tempo, os lasers de fibra podem ser divididos em lasers de fibra contínuos e lasers de fibra pulsados.
Com base na estrutura do ressonador, eles podem ser divididos em lasers de fibra de cavidade linear, lasers de fibra de feedback distribuído e lasers de fibra de cavidade em anel.
Com base nos diferentes modos de fibra de ganho e bombeamento, eles podem ser divididos em lasers de fibra de revestimento único (bombeamento de núcleo) e lasers de fibra de revestimento duplo (bombeamento de revestimento).
Princípio da estrutura de todo o laser de fibra de cavidade linear de fibra
Em 1961, Snitzer descobriu a radiação laser em guias de onda de vidro dopados com Nd.
Em 1966, Gao Kun estudou exaustivamente as principais causas da atenuação óptica em fibras ópticas e apontou os principais problemas técnicos que precisavam ser resolvidos para a aplicação prática das fibras ópticas na comunicação.
Em 1970, a Corning Company nos Estados Unidos desenvolveu fibras ópticas com atenuação inferior a 20 dB/km, o que lançou as bases para o desenvolvimento da comunicação óptica e da tecnologia optoeletrônica.
Este avanço tecnológico também facilitou muito o desenvolvimento de lasers de fibra.
Nas décadas de 1970 e 1980, a maturidade e a comercialização da tecnologia de laser semicondutor forneceram fontes de bomba confiáveis e diversificadas para o desenvolvimento de lasers de fibra.
Ao mesmo tempo, o avanço da deposição química de vapor reduziu a perda de transmissão das fibras ópticas.
Os lasers de fibra se diversificaram rapidamente. Diferentes elementos de terras raras, como érbio (Er3+), itérbio (Yb3+), neodímio (Nd3+), samário (Sm3+), túlio (Tm3+), hólmio (Ho3+), praseodímio (Pr3+), disprósio (Dy3+) e bismuto ( Bi3+), são dopados na fibra para obter saída de laser de diferentes comprimentos de onda para atender a vários requisitos de aplicação.
Faixa do espectro de emissão de fibra de quartzo dopada com elementos de terras raras
Características do laser de fibra de alta potência
As vantagens do laser de fibra de alta potência são as seguintes.
(1) Boa qualidade do feixe.
A estrutura do guia de ondas do laser de fibra facilita a produção de saída de modo transversal único e não é significativamente afetada por fatores externos, levando a uma saída de laser de alto brilho.
(2) Alta eficiência.
Os lasers de fibra podem alcançar alta eficiência de conversão óptica para óptica usando um laser semicondutor cujo comprimento de onda de emissão corresponde às características de absorção de elementos de terras raras dopados como fonte de bomba.
Para lasers de fibra dopada com itérbio de alta potência, lasers semicondutores de 915 nm ou 975 nm são normalmente selecionados.
A estrutura simples de nível de energia do Yb3+ leva a poucos fenômenos, como conversão ascendente, absorção de estado excitado e extinção de concentração, e uma longa vida de fluorescência, tornando-o eficaz para armazenar energia e alcançar operação de alta potência.
A eficiência eletro-óptica geral dos lasers de fibra comerciais pode chegar a 25%, contribuindo para a redução de custos, conservação de energia e proteção ambiental.
(3) Boas características de dissipação de calor.
Os lasers de fibra utilizam uma fibra fina dopada com terras raras como meio de ganho do laser, que possui uma grande área de superfície e relação de volume. Isso é aproximadamente 1.000 vezes maior que o dos lasers de bloco de estado sólido e oferece vantagens inerentes em termos de dissipação de calor.
Para aplicações de baixa a média potência, não é necessário resfriamento especial da fibra óptica. Em cenários de alta potência, o resfriamento a água pode mitigar efetivamente o declínio na qualidade e eficiência do feixe causado por efeitos térmicos em lasers de estado sólido.
(4) Estrutura compacta e alta confiabilidade.
O uso de uma fibra pequena e flexível pelo laser de fibra como meio de ganho do laser o torna ideal para reduzir volume e reduzir custos. A fonte da bomba, um laser semicondutor, também possui tamanho compacto e é facilmente modularizável. A maioria dos produtos comerciais pode ser produzida usando fibra de cauda.
Ao incorporar dispositivos de fibra óptica, como redes de Bragg de fibra, um sistema totalmente de fibra óptica pode ser alcançado através da fusão desses dispositivos. Isto resulta em alta imunidade a perturbações ambientais, alta estabilidade e redução de tempo e custos de manutenção.
Os lasers de fibra de alta potência também apresentam desvantagens intransponíveis:
Primeiro, é facilmente restringido por efeitos não lineares.
A estrutura do guia de ondas do laser de fibra proporciona um comprimento efetivo longo, resultando em um limiar baixo para vários efeitos não lineares. No entanto, efeitos não lineares prejudiciais, como espalhamento Raman estimulado (SRS) e modulação de autofase (SPM), podem levar a flutuações de fase, transferência de energia no espectro e até mesmo danos ao sistema laser, dificultando o avanço de lasers de fibra de alta potência. .
O segundo é o efeito de escurecimento de fótons.
A alta concentração de dopagem de terras raras em lasers de fibra resulta em um declínio gradual e irreversível na eficiência de conversão de energia devido ao efeito de escurecimento do fóton com tempo de bombeamento prolongado. Isto limita a estabilidade a longo prazo e a vida útil dos lasers de fibra de alta potência, particularmente no caso de lasers de fibra de alta potência dopados com itérbio.
No entanto, os avanços nos lasers semicondutores acoplados a fibra de alto brilho e na tecnologia de fibra dupla melhoraram significativamente a potência de saída, a eficiência da conversão óptica e a qualidade do feixe dos lasers de fibra de alta potência.
A enorme demanda por lasers de fibra de alta potência em processamento industrial, armas de energia direcional, telemetria de longa distância, lidar e outros campos impulsionou os esforços de pesquisa de empresas como IPG Photonics, Nufern, NLight e o Grupo Trumpf, levando ao desenvolvimento de lasers de fibra de alta potência de onda contínua e onda pulsada com uma linha de produtos diversificada.
Instituições acadêmicas como a Universidade de Tsinghua, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Defesa Nacional, o Instituto de Óptica e Máquinas de Precisão de Xangai, a Academia Chinesa de Ciências e o Quarto Instituto de Pesquisa do Grupo de Ciência e Indústria Aeroespacial da China também relataram resultados emocionantes neste campo.
Tecnologia de aumento de potência do laser de fibra
As limitações de efeitos não lineares, efeitos térmicos e limites de danos materiais em lasers de fibra resultam em uma potência de saída limitada para lasers de fibra de canal único, com uma diminuição na qualidade do feixe à medida que a potência aumenta.
Para melhorar a qualidade do feixe, é necessário adotar tecnologia de controle de modo e projetar novas fibras com estruturas especiais. JW Dawson e colegas conduziram uma análise teórica do limite de potência de saída de uma única fibra. Os cálculos revelam que um laser de fibra de banda larga pode atingir uma saída de laser próxima do limite de difração com uma potência máxima de 36 kW, enquanto um laser de fibra de largura de linha estreita pode atingir uma potência máxima de 2 kW.
Para aumentar ainda mais a potência de saída de lasers e amplificadores de fibra, a síntese de potência de lasers de fibra multicanal por meio de tecnologia de síntese coerente é um método eficaz. Este se tornou um tema amplamente pesquisado nos últimos anos.
Sistema de síntese coerente de laser de fibra
As limitações impostas por efeitos não lineares, efeitos térmicos e limites de danos materiais em lasers de fibra restringem a potência de saída dos lasers de fibra de canal único e resultam em um declínio na qualidade do feixe com o aumento da potência.
Para melhorar a qualidade do feixe, a tecnologia de controle de modo e o projeto de estruturas de fibra especiais devem ser utilizados. JW Dawson e seus colegas conduziram uma análise teórica do limite de potência de saída de uma única fibra. Os resultados mostram que um laser de fibra de banda larga pode produzir uma saída de laser próximo ao limite de difração com uma potência máxima de 36 kW, enquanto um laser de fibra de largura de linha estreita pode atingir uma potência máxima de 2 kW.
A tecnologia de síntese coerente, que envolve a síntese de potência de múltiplos lasers de fibra, é um método eficaz para aumentar a potência de saída de lasers e amplificadores de fibra. Esta abordagem tornou-se um tópico de interesse de pesquisa significativo nos últimos anos.
Além das vantagens exclusivas dos lasers de fibra e da demanda por sistemas de 100 quilowatts, vários dispositivos de suporte, como acopladores cônicos fundidos em fibra, fibras multinúcleos, moduladores de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-ópticos, desempenharam um papel crucial. papel na comercialização de comunicação por fibra óptica.
O acoplador cônico fundido com fibra e as fibras multinúcleos tornam o controle de fase passivo por meio do acoplamento de injeção de energia a laser e do acoplamento de ondas evanescentes muito mais gerenciável.
O modulador de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-ópticos permitem o controle de fase ativo com uma largura de banda de controle de megahertz, permitindo o controle de flutuações de fase sob condições de alta potência e alcançando saída com bloqueio de fase.
Os pesquisadores propuseram vários esquemas distintos de síntese coerente, incluindo tecnologia de síntese espectral, uma tecnologia de síntese incoerente que usa uma ou mais redes de difração para difratar vários subfeixes na mesma abertura para uma saída de abertura única e melhor qualidade do feixe.
A síntese espectral de lasers de fibra faz uso total da ampla largura de banda de ganho dos lasers de fibra dopados com itérbio para superar as limitações da potência de saída do laser de fibra única, resultando em saída de laser de alta potência e alta qualidade de feixe. Este é um dos caminhos técnicos importantes para lasers de fibra de alta potência no futuro.
Sistema laser de fibra sintética espectral
O Instituto de Óptica e Mecânica de Xangai conduziu extensas pesquisas sobre lasers de fibra de alta potência e síntese espectral nos últimos anos, fazendo avanços significativos na preparação de dispositivos, tecnologias-chave e sistemas de síntese espectral.
Em termos de largura de linha estreita e amplificadores de fibra de alta potência, o Instituto utilizou dispositivos centrais autodesenvolvidos, como redes de Bragg de fibra, combinadores de fibra de alta potência e filtros ópticos de revestimento em 2016. Isso foi baseado em tecnologias-chave, incluindo cascata de rede de Bragg de fibra filtragem, controle de largura de linha, controle de parâmetros de estágio de amplificação e controle de modo de fibra.
Este avanço ultrapassou o limite de potência de saída monomodo de lasers com largura de linha inferior a 50 GHz relatado pelo grupo de pesquisa da Universidade de Jena, na Alemanha. O Instituto conseguiu atingir uma saída de laser de fibra quase limite de difração com uma potência de 2,5 kW, uma largura de linha de 0,18 nm (50 GHz) e um comprimento de onda central de 1064,1 nm.
O laser possui uma semente de fibra totalmente óptica compacta e estável e uma estrutura de amplificação de três estágios, tornando-o altamente robusto. O amplificador principal utiliza uma fibra de 20 μm/400 μm que mantém a não polarização, e aumentar a potência da bomba disponível pode melhorar ainda mais a potência de saída do laser.
Em termos de síntese espectral, as redes de difração reflexivas de filme metálico têm um baixo limiar de dano e são incapazes de suportar a irradiação de laser de alta potência, tornando difícil alcançar a síntese espectral de alta potência. No entanto, em agosto de 2016, o Instituto realizou a síntese espectral de feixe de alta qualidade de 11,27 kW usando 7 lasers de fibra de largura de linha estreita e grades de difração dielétrica multicamadas não correlacionadas de alto limiar de dano (MLDG), fazendo progressos significativos na síntese espectral de fibra de alta potência. lasers.
Aplicações típicas de lasers de fibra de alta potência
Os lasers de fibra têm excelente desempenho em uma variedade de campos, como processamento industrial, tratamento médico, sensoriamento remoto, segurança e pesquisa científica devido à sua boa qualidade de feixe, alta eficiência eletro-óptica, estrutura compacta e confiabilidade.
No setor industrial, os lasers de fibra podem ser classificados em três categorias com base na sua potência de saída:
Lasers de fibra de baixa potência (<50 watts) são usados principalmente para processamento de microestrutura, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação em metal, etc.
Lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são utilizados principalmente para perfuração, soldagem, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Lasers de fibra de alta potência (> 1000 watts) são usados principalmente para corte de placas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de placas especiais, entre outros.
Os lasers de fibra têm excelente desempenho em vários campos, como processamento industrial, tratamento médico, sensoriamento remoto, segurança e pesquisa científica devido à sua boa qualidade de feixe, alta eficiência eletro-óptica, design compacto e confiabilidade.
No domínio industrial, os lasers de fibra podem ser agrupados em três categorias com base na sua potência de saída:
Lasers de fibra de baixa potência (<50 watts) são usados principalmente para processamento de microestruturas, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação em metal, etc.
Lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são usados predominantemente para perfuração, soldagem, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Lasers de fibra de alta potência (> 1000 watts) são utilizados principalmente para corte de placas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de placas especiais, entre outras aplicações.
Os lasers de fibra têm desempenho excepcional em vários campos, como processamento industrial, tratamento médico, sensoriamento remoto, segurança e pesquisa científica devido à sua boa qualidade de feixe, alta eficiência eletro-óptica, design compacto e confiabilidade.
No setor industrial, os lasers de fibra podem ser classificados em três categorias com base na sua potência de saída:
Lasers de fibra de baixa potência (<50 watts) são usados principalmente para processamento de microestruturas, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação em metal, etc.
Lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são predominantemente utilizados para perfuração, soldagem, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Lasers de fibra de alta potência (> 1000 watts) são usados principalmente para corte de placas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de placas especiais, entre outras aplicações.
Em comparação com outras fontes de luz, o menor volume dos lasers de fibra contribui para uma elevada mobilidade nas plataformas de lançamento, melhorando assim a adaptabilidade e a capacidade de sobrevivência no campo de batalha.
No Afeganistão, o sistema de remoção de minas a laser “Zeus” da empresa Spata tem sido utilizado para limpar minas.
Desde 2009, a Marinha dos EUA tem usado com sucesso sistemas de laser de fibra óptica para destruir UAVs, projéteis e pequenos navios. O sistema foi instalado em navios de guerra em 2014.
Em 2012, o revendedor alemão de armas de defesa Rheinmetall lançou um sistema laser de tubo duplo de 50 kW que interceptou e destruiu com sucesso UAVs, projéteis e outros alvos em um experimento de demonstração.
Arma laser
A arma laser é um novo conceito de arma em rápido desenvolvimento.
Ele emite lasers de alta energia na velocidade da luz na superfície do alvo, causando danos a dispositivos importantes, como detecção fotoelétrica, navegação e orientação, ou tornando o alvo “cego e surdo”, ou queimando o invólucro do objeto em movimento para atirar. ou detonar combustível para explodi-lo no ar, completando assim a tarefa de causar danos em um curto espaço de tempo.
Tem os benefícios de concentração de energia, velocidade de transmissão rápida e uso repetível, bem como alta relação custo-benefício, rápida transferência de fogo e resistência à interferência eletromagnética.
Desde o seu início, o desenvolvimento de armas a laser teve sua cota de altos e baixos. No entanto, a maturidade das tecnologias laser de estado sólido, como os lasers de fibra, revitalizou o desenvolvimento de armas laser e tornou-se o foco de investigação das principais potências militares.
Actualmente, países como os Estados Unidos, Grã-Bretanha, Rússia, Alemanha e Índia iniciaram o desenvolvimento de armas laser e realizaram testes relevantes.
A entrada de armas laser no campo de batalha está chegando.
Em um esforço para combater ameaças assimétricas, como UAVs e barcos de ataque furtivo, e melhorar as capacidades de defesa aproximada do navio, a Marinha dos EUA iniciou oficialmente o desenvolvimento do “Sistema de Armas Laser” (LAWS) em 2010. O sistema foi implantado na doca de transporte anfíbia. navio “Ponce” em setembro de 2014 para um teste operacional e avaliação de um ano.
O LAWS é liderado pela Raytheon, com a participação da Boeing e da Lockheed Martin em determinados aspectos do trabalho. O sistema aproveita ao máximo as tecnologias e componentes comerciais existentes para minimizar os custos de P&D e de aquisição.
O protótipo LAWS consiste em seis lasers de fibra industriais que, quando operacionais, combinam seus feixes de laser para produzir um feixe de laser de 30 kW. O custo de utilização do sistema de armas laser é baixo, estimando-se que um único disparo custe apenas 1 dólar, em forte contraste com as dezenas de milhares ou centenas de milhares de dólares por míssil.
Em 2016, o Departamento de Pesquisa Naval dos EUA iniciou o desenvolvimento de um novo sistema de armas a laser de alta energia transportado por navio com uma potência de saída de 150 kW, que era cinco vezes mais poderoso do que o protótipo do sistema de leis testado anteriormente. O projeto levou 12 meses e custou US$ 53 milhões para desenvolver o “protótipo de demonstração do sistema de armas a laser” em três estágios: o primeiro estágio foi o projeto inicial, o segundo estágio foi o teste em solo e o terceiro estágio foi o teste em um veículo próprio da Marinha. navio de teste de defesa.
Em 2014, a Academia Chinesa de Engenharia Física e o Instituto de Óptica e Mecânica de Xangai desenvolveram em conjunto o sistema “Low Altitude Guard”. No experimento de demonstração e verificação, mais de 30 aeronaves pequenas, como asas fixas, multirotores e helicópteros, foram abatidas com sucesso, com uma taxa de sucesso de 100%. O sistema tinha uma potência de lançamento de quase 10.000 watts e uma área de proteção efetiva de 12 quilômetros quadrados para baixas altitudes. Ele poderia interceptar com precisão uma variedade de aeronaves, incluindo asas fixas, em um raio de 2 quilômetros e espaço aéreo de 360 graus, em um raio de 5 metros. O sistema era rápido, preciso e livre de danos colaterais.
Em 2015, a Lockheed Martin usou uma arma laser de 30 kW chamada Athena para destruir um caminhão a um quilômetro de distância. Em março de 2017, a empresa anunciou a conclusão de sua pesquisa e desenvolvimento de um sistema de armas a laser de 60 kW e seu envio para o Centro de Comando do Exército dos EUA, no Alasca. O tecnólogo-chefe da empresa afirmou que os testes bem-sucedidos nos aproximam do desenvolvimento de sistemas portáteis de armas a laser que podem ser implantados em aeronaves militares, helicópteros, navios e caminhões. A pesquisa mostrou que o laser direcional de alta energia agora é compacto, leve e confiável o suficiente para ser usado na defesa em plataformas terrestres, marítimas e aéreas.
Resumo
Concluindo, o desenvolvimento da tecnologia laser mostra que a tecnologia laser de fibra é a direção futura dos lasers de alta potência e alto brilho. A combinação da tecnologia de fibra de guia de onda e da tecnologia de bombeamento de laser semicondutor leva à criação de lasers de fibra de alta potência que podem atender à demanda urgente por lasers de alta potência e alta eficiência na fabricação avançada de laser e na defesa militar.
Esta tecnologia é de grande importância estratégica tanto para a economia como para a segurança nacional. Além disso, os lasers de fibra de alta potência têm imenso potencial de aplicação em vários campos, como exploração de energia, grandes dispositivos científicos, ciência espacial, ciência ambiental e muito mais. Servirá como uma ferramenta poderosa para os humanos compreenderem e moldarem o mundo.
